JP2006112022A - 気相法炭素繊維およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 炭素源と触媒および/または触媒前駆体化合物とを加熱帯域1で接触させることによって気相で炭素繊維を製造する方法であって、炭素源が少なくともメタンを含み、供給原料中のメタンの濃度が15mol%以上100mol%未満であり、且つ加熱帯域1の高温部分の温度が1100℃〜1500℃であることを特徴とする、気相法炭素繊維の製造方法とする。
【選択図】 図2
Description
(触媒となる元素の原子数)/(炭素原子の数)
=0.000005〜0.0015
である、上記(1)〜(6)項のいずれかに記載の気相法炭素繊維の製造方法。
本発明の炭素繊維の製造方法では、炭素源が少なくともメタンを含み、好ましくは主たる炭素源がメタンである。「炭素源」は、炭素原子を有する化合物を意味する。したがって、触媒前駆体化合物が炭素原子を有する場合には、触媒前駆体化合物も「炭素源」に含まれる。ただし、一酸化炭素および二酸化炭素は、脂肪族炭化水素や芳香族炭化水素とは異なる挙動を示すので、本発明に関しては「炭素源」には含めない。また「主たる炭素源」は、供給原料に含まれるそれぞれの炭素源が有する炭素の総量を比較した場合に、最も多くの炭素を有する炭素源を意味する。当然に、メタンのみを炭素源として用いてもよい。
本発明における触媒は、炭素繊維の成長を促進する物質である限り、特に制限されない。この触媒としては、例えば、IUPACが1990年に勧告した18族型元素周期表でいう3〜12族からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属、特にそれらの微粒子が挙げられる。更には3、5、6、8、9、10族からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属が好ましく、鉄、ニッケル、コバルト、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、白金および希土類元素が特に好ましい。
「触媒前駆体化合物」は、加熱することにより熱分解し、場合によっては更に還元されて、上記触媒を与える化合物を意味する。触媒前駆体化合物としては、有機金属化合物、金属塩等が挙げられる。例えば、触媒前駆体化合物であるフェロセンは加熱することにより熱分解し、触媒である鉄微粒子を生成する。よって、触媒前駆体化合物としては上記のような金属を与える化合物が好適に使用可能である。より具体的には例えば、触媒前駆体化合物として、3〜12族からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含む金属化合物、更には3、5、6、8、9、10族からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含む化合物が好ましく、鉄、ニッケル、コバルト、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、白金および希土類元素を含む化合物が最も好ましい。
上記した触媒および/または触媒前駆体化合物を、必要に応じて担体に担持して用いることも可能である。これらの担体としては、加熱帯域で安定な化合物が好ましく、これらの化合物の一例として、アルミナ、シリカ、ゼオライト、マグネシア、チタニア、ジルコニア、グラファイト、活性炭、炭素繊維などが挙げられる。ただし、これらは反応炉内にあらかじめ仕込んでおくのではなく、加熱された炉内に炭素源などと共に導入する必要がある。
触媒あるいは触媒前駆体化合物の使用量は、触媒となる元素(例えばFe)の原子の数と炭素源中の炭素原子の数との比率として0.000005〜0.0015が好ましく、0.00001〜0.001がより好ましく、0.00002〜0.0005が更に好ましく、0.00004〜0.0004が最適である。0.000005より少ないと、触媒が不足して繊維数が減少したり、繊維径が増大することがある。またこの比が0.0015より大きいと、経済的でないばかりか、触媒として機能しない粗大化した触媒粒子が繊維に混在することがある。原料中の炭素源の炭素原子の総数は、触媒前駆体化合物が炭素を含有していれば、その炭素原子も含まれ、すなわち供給原料中の一酸化炭素および二酸化炭素の含有する炭素を除く全ての炭素原子の総量である。
原料の供給方法は、特に制限されない。メタンおよび/またはメタン以外の炭素源、触媒および/または触媒前駆体化合物は、気化させてガス状で供給してもよく、それらの一部または全てを液状で供給してもよい。炭素繊維生成を効率よく行うためには、炭素繊維の生成が開始する前にこれら原料を気化させてガス状物として十分混合した後、供給することが特に好ましい。700℃以下で十分混合されていることが好ましく、600℃以下がより好ましく、400℃以下が最も好ましい。
本発明の気相法炭素繊維の製造においてはこれら組成物に加えて、キャリアーガスを使用することが推奨さる。キャリアーガスとしては水素、窒素、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、またはこれらの混合ガスを用いることができる。しかし、空気等の酸素分子(すなわち、分子状態の酸素:O2 )を含有するガスは適さない。本発明で用いる触媒前駆体化合物は酸化状態にある場合があり、こうした場合にはキャリアーガスとして水素を含有するガスを用いることが好ましい。したがって、好ましいキャリアーガスは、水素を1vol%以上、更には30vol%以上、最も好ましくは85vol%以上含んだガスであり、例えば100vol%水素や水素を窒素で希釈したガスである。ここに示した水素ガス濃度は、メタンおよび/またはメタン以外の炭素源やガス化した触媒および/または触媒前駆体化合物などは含まず、キャリアーガスのみを考慮したときの濃度である。
本発明の気相法炭素繊維の製造においては、炭素繊維径制御に効果があるとされているイオウ化合物を併用してもよい。本発明において用いることができるイオウ化合物としては、イオウ、チオフェン、硫化水素、硫化炭素、さらにメチルメルカプタン、ターシャリーブチルメルカプタン等のメルカプタン類、ジメチルスルフィド等のスルフィド類、およびジメチルジスルフィド等のジスルフィド類等の化合物が挙げられる。またこの硫黄化合物は好ましくは、チオフェン、二硫化炭素、ジメチルスルフィドおよびジメチルジスルフィドを挙げることができ、さらに好ましくは、ジメチルスルフィドまたはジメチルジスルフィドを挙げることができる。
気相法炭素繊維の合成は、これまで説明した原料および必要に応じてキャリアーガスを加熱帯域に供給して、加熱下で接触させることにより達成される。反応器(加熱帯域)としては、所定の滞留時間、加熱温度が得られるものであれば特に限定されないが、縦型あるいは横型の管状炉が、原料供給、滞留時間制御の面で好ましい。
〔試薬類〕
1.炭素源
メタン:高千穂商事(株)
ベンゼン:和光純薬工業(株)
トルエン:和光純薬工業(株)
テトラヒドロフラン:和光純薬工業(株)
2.触媒前駆体化合物
フェロセン:日本ゼオン(株)
3.その他成分
チオフェン:和光純薬工業(株)
ジメチルスルフィド:和光純薬工業(株)
ジメチルジスルフィド:和光純薬工業(株)
二硫化炭素:和光純薬工業(株)
<実施例1>
図2に示した石英製反応管の加熱帯域1(内径31mm、外径36mm、加熱帯域の長さ約400mm)を備えた縦型炉にて、N2気流中で加熱帯域1を1200℃に昇温し、その後、N2の供給を絶ち、代わって、加熱帯域1内に1NL/minでキャリアーガスとしてH2を流した。温度が安定した後に、ベンゼン、フェロセンおよびチオフェンを溶解混合し、その液を小型ポンプを用いて、それぞれの成分が表1に示した導入量になるようにして、200℃に加熱された気化器4に導入・気化し、H2に同伴させた。この状態では、固体の生成物は生成しなかった。その後、H2の流量を0.5NL/minに下げ、メタンを0.5NL/minの流量で水素に混合した。このようにして、全ての化合物をガス状で反応管内に供給した。ここで単位「NL」は、標準状態(0℃、1気圧)での体積(リットル)を示している。
メタンの濃度(mol%)=[メタンの導入量(mmol/min)]÷[供給原料の導入量(mmol/min)]×100
供給原料の導入量(mmol/min)=メタンの導入量(mmol/min)+キャリアーガスの導入量(mmol/min)+メタン以外の炭素源の導入量(mmol/min)+フェロセンの導入量(mmol/min)+イオウ化合物の導入量(mmol/min)
供給原料中のメタンに含まれる炭素原子の総量に対する供給原料中のメタン以外の炭素源に含まれる炭素原子の総量の比率(%)=
[キャリアーガス中の炭素原子数(mmol/min)+メタン以外の炭素源中の炭素原子数(mmol/min)+フェロセン中の炭素原子数(mmol/min)+イオウ化合物中の炭素数(mmol/min)]÷[メタン中の炭素原子数(mmol/min)]×100
反応温度を1250℃にしたこと、およびベンゼン、フェロセンおよびチオフェンを溶解混合した液の組成を変えたこと以外は実施例1の方法にしたがって反応を行った。実験の条件および結果を表1および表2に示す。炭素回収率は53%であり、生成物は、平均外径および平均の長さがそれぞれ170nmおよび15μmの繊維状物であった。
H2の流量を0.64NL/minにしたこと、およびメタン流量を0.36NL/minにしたこと以外は実施例2の方法にしたがって反応を行った。実験の条件および結果を表1および表2に示す。炭素回収率は34%であり、生成物は、平均外径170nmの繊維状物であった。
H2の流量を0.82NL/minにしたこと、およびメタン流量を0.18NL/minにしたこと以外は実施例2の方法にしたがって反応を行った。実験の条件および結果を表1および表2に示す。炭素回収率は15%であり、生成物は、平均外径150nmの繊維状物であった。
H2の流量を0.25NL/minにしたこと、およびメタン流量を0.75NL/minにしたこと以外は実施例1の方法にしたがって反応を行った。実験の条件および結果を表1および表2に示す。炭素回収率は45%であり、生成物は、平均外径の250nmの繊維状物であった。
ベンゼン、フェロセンおよびチオフェンの溶解混合液の流量以外は実施例2の方法にしたがって反応を行った。実験の条件および結果を表1および表2に示す。炭素回収率は55%であり、生成物は、平均外径200nmの繊維状物であった。
ベンゼンの代わりにトルエンを用い、その導入量を0.10mmol/minとしたこと以外は実施例6の方法にしたがって反応を行った。実験の条件および結果を表1および表2に示す。炭素回収率は56%であり、生成物は、平均外径200nmの繊維状物であった。
ベンゼンの代わりにテトラヒドロフランを用い、その導入量を0.13mmol/minとしたこと以外は実施例6の方法にしたがって反応を行った。実験の条件および結果を表1および表2に示す。炭素回収率は51%であり、生成物は、平均外径200nmの繊維状物であった。
チオフェンの代わりにジメチルスルフィドを用いたこと以外は実施例2の方法にしたがって反応を行った。実験の条件および結果を表1および表2に示す。炭素回収率は55%であり、生成物は、平均外径および平均の長さがそれぞれ250nmおよび32μmの繊維状物であった。
チオフェンの代わりにジメチルジスルフィドを用いたこと以外は実施例2の方法にしたがって反応を行った。実験の条件および結果を表1および表2に示す。炭素回収率は51%であり、生成物は、平均外径および平均の長さがそれぞれ200nmおよび18μmの繊維状物であった。
チオフェンの代わりに二硫化炭素を用いたこと以外は実施例2の方法にしたがって反応を行った。実験の条件および結果を表1および表2に示す。炭素回収率は54%であり、生成物は、平均外径250nmの繊維状物であった。
図2に示した石英製反応管1(内径31mm、外径36mm、加熱帯域の長さ約400mm)を備えた縦型炉にて、N2気流中で加熱帯域を1200℃に昇温し、その後、N2の供給を絶ち、代わって、反応管内に1NL/minでキャリアーガスとしてH2を流した。温度が安定した後に、ベンゼン、フェロセンおよびチオフェンを溶解混合し、その液を小型ポンプを用いて、それぞれの成分が表1に示した導入量になるようにして、200℃に加熱された気化器4に導入・気化し、H2に同伴させた。このようにして、全ての化合物をガス状で反応管内に供給した。
ベンゼン、フェロセンおよびチオフェンの溶解混合組成を変えたこと以外は、比較例1の方法にしたがって反応を行った。実験の条件および結果を表1および表2に示す。炭素回収率は39%であり、生成物は、平均外径および平均の長さがそれぞれ100nmおよび7μmの繊維状物であった。触媒量を増やすことにより、繊維状物が得られたが、繊維の長さは短いものであった。
H2の流量を0.91NL/minにしたこと、およびメタン流量を0.09NL/minにしたこと以外は実施例2の方法にしたがって反応を行った。実験の条件および結果を表1および表2に示す。反応の結果、固形の堆積物は得られなかった。すなわち、炭素回収率は0%であった。これは、メタン濃度が低すぎるためである。
反応温度を1000℃にしたこと以外は実施例2の方法にしたがって反応を行った。実験の条件および結果を表1および表2に示す。反応の結果、固形の堆積物は得られなかった。すなわち、炭素回収率は0%であった。これは、反応温度が低すぎるためである。
H2を流さず、メタン流量を1NL/minにした以外は比較例4の方法にしたがって反応を行った。実験の条件および結果を表1および表2に示す。反応の結果、反応炉出口のガス中に茶色の煙状のものが生成し、反応管内壁に黒いべたついたものが付着したが、回収可能な固形の堆積物は得られなかった。すなわち、炭素回収率は0%であった。反応温度が低すぎると、メタン濃度を高くしても炭素繊維は得られない。
2 ヒーター
3 捕集器
4 気化器
Claims (19)
- 供給原料中の炭素源と触媒および/または触媒前駆体化合物とを加熱帯域で接触させることによって気相で炭素繊維を製造する気相法炭素繊維の製造方法であって、前記炭素源が少なくともメタンを含み、前記供給原料中のメタンの濃度が15mol%以上100mol%未満であり、且つ前記加熱帯域の高温部分の温度が1100℃〜1500℃であることを特徴とする、気相法炭素繊維の製造方法。
- 前記加熱帯域の原料導入部の温度が700℃以下である、請求項1に記載の気相法炭素繊維の製造方法。
- 前記供給原料が前記加熱帯域の高温部分に達する前に、600℃〜1000℃の温度の前記加熱帯域の低温部分に0.05秒間以上にわたって滞留する、請求項1又は2に記載の気相法炭素繊維の製造方法。
- 前記加熱帯域において、1100℃以上の温度での滞留時間が0.001秒以上である、請求項1〜3のいずれかに記載の気相法炭素繊維の製造方法。
- メタン以外の前記炭素源に含まれる炭素原子の総量が、メタンに含まれる炭素原子の総量の60%以下である、請求項1〜4のいずれかに記載の気相法炭素繊維の製造方法。
- メタン以外の前記炭素源に含まれる炭素原子の総量が、メタンに含まれる炭素原子の総量の10%以下である、請求項5に記載の気相法炭素繊維の製造方法。
- 触媒となる元素の原子数と、炭素源中の炭素原子の数との比率が、
(触媒となる元素の原子数)/(炭素原子の数)
=0.000005〜0.0015
である、請求項1〜6のいずれかに記載の気相法炭素繊維の製造方法。 - 前記触媒前駆体化合物を常温および常圧で液体である化合物に溶解して、前記加熱帯域内に導入する、請求項1〜7のいずれかに記載の気相法炭素繊維の製造方法。
- 前記触媒前駆体化合物を常温および常圧で液体である化合物に溶解し、その溶液を全て気化してから、前記加熱帯域内に導入する、請求項1〜7のいずれかに記載の気相法炭素繊維の製造方法。
- 前記触媒前駆体化合物を常温および常圧で液体である化合物に溶解し、その溶液を全て気化後、メタン含有ガスに混合してから、前記加熱帯域内に導入する、請求項1〜7のいずれかに記載の気相法炭素繊維の製造方法。
- 常温および常圧で液体である前記化合物が炭素源である、請求項8〜10のいずれかに記載の気相法炭素繊維の製造方法。
- 常温および常圧で液体である前記化合物に対する前記触媒前駆体化合物の25℃での溶解度が、常温および常圧で液体である前記化合物100gに対して10g以上である、請求項8〜10のいずれかに記載の気相法炭素繊維の製造方法。
- 常温および常圧で液体である前記化合物が、ベンゼン、トルエンおよびテトラヒドロフランからなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物である、請求項8〜10のいずれかに記載の気相法炭素繊維の製造方法。
- 前記触媒および/または触媒前駆体化合物が、18族型元素周期律表でいう3、5、6、8、9、10族から選ばれる少なくとも1種の金属および/またはこれらの金属を含む化合物である、請求項1〜13のいずれかに記載の気相法炭素繊維の製造方法。
- 反応後のガスの全てまたは一部を循環し、再使用する、請求項1〜14のいずれかに記載の気相法炭素繊維の製造方法。
- 平均繊維径が10nm以上である炭素繊維を製造する、請求項1〜15のいずれかに記載の気相法炭素繊維の製造方法。
- 請求項1〜16のいずれかに記載の気相法炭素繊維の製造方法により製造された気相法炭素繊維。
- 平均繊維長が10μm以上である、請求項17に記載の気相法炭素繊維。
- 平均繊維長が13μm以上である、請求項18に記載の気相法炭素繊維。
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